直流伺服電機調(diào)速控制系統(tǒng)解析，直流伺服電機的調(diào)速控制方式

　　直流伺服電機速度控制單元的作用是將轉(zhuǎn)速指令信號轉(zhuǎn)換成電樞的電壓值，達到速度調(diào)節(jié)的目的?，F(xiàn)代直流電機速度控制單元常多采用晶閘管（可控硅，SCR）調(diào)速系統(tǒng)和晶體管脈寬調(diào)制（PWM）調(diào)速系統(tǒng)。

　　調(diào)速的概念有兩個方面的含義：

　　（1） 改變電機轉(zhuǎn)速：當指令速度變化時，電機的速度隨之變化，并希望以最快的加減速達到新的指令速度值；

　?。?） 當指令速度不變化時，電機的速度保持穩(wěn)定不變。

　　為調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速和方向，需對直流電壓的大小和方向進行控制，如何控制？

　　直流伺服電機速度控制單元的作用：將轉(zhuǎn)速指令信號轉(zhuǎn)換成電樞的電壓值，達到速度調(diào)節(jié)的目的。

　　直流電機速度控制單元常采用的調(diào)速方法：晶閘管（可控硅）調(diào)速系統(tǒng)；晶體管脈寬調(diào)制（PWM）調(diào)速系統(tǒng)。

　　1、晶閘管調(diào)速系統(tǒng)

　　在交流電源電壓不變的情況下，當改變控制電壓Un* 時，通過控制電路和晶閘管主電路改變直流電機的電樞電壓Ud，得到控制電壓Un*所要求的電機轉(zhuǎn)速。電機的實際電壓Un作為反饋與Un*進行比較，形成速度環(huán)，達到改善電機運行時的機械特性的目的。

　　晶閘管調(diào)速系統(tǒng)主電路采用大功率晶閘管。大功率晶閘管的作用：

　?。?）整流。將電網(wǎng)交流電源變?yōu)橹绷鳎粚⒄{(diào)節(jié)回路的控制功率放大，得到較高電壓與較大電流以驅(qū)動電機。

　?。?）逆變。在可逆控制電路中，電機制動時，把電機運轉(zhuǎn)的慣性能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽⒒仞伣o交流電網(wǎng)，實現(xiàn)逆變。

　　為了對晶閘管進行控制，必須設(shè)有觸發(fā)脈沖發(fā)生器，以產(chǎn)生合適的觸發(fā)脈沖。該脈沖必須與供電電源頻率及相位同步，保證晶閘管的正確觸發(fā)

　　主回路由大功率晶閘管構(gòu)成的三相全控橋式反并接可逆電路，分成二大部分（Ⅰ和Ⅱ），每部分內(nèi)按三相橋式連接，二組反并接，分別實現(xiàn)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。

　　各有一個可控硅同時導(dǎo)通，形成回路。為了保證合閘后兩個串聯(lián)的晶閘管能夠同時導(dǎo)通或電流截止后再導(dǎo)通，必須對共陽極組的1個晶閘管和共陰極組的1個晶閘管同時發(fā)出觸發(fā)脈沖。

　　晶閘管調(diào)速系統(tǒng)采用的是大功率晶閘管，它的作用有兩個，一是用作整流，將電網(wǎng)交流電源變?yōu)橹绷鳎欢窃诳赡婵刂齐娐分?，電機制動時，把電機運轉(zhuǎn)的慣性能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，并回饋給交流電網(wǎng)，實現(xiàn)逆變。為了對晶閘管進行控制，必須設(shè)有觸發(fā)脈沖發(fā)生器，以產(chǎn)生合適的觸發(fā)脈沖。晶閘管的整流電路有許多種，在數(shù)控機床中最常用是三相橋式反并聯(lián)可逆電路。

　　如圖所示的就是三相橋式反并聯(lián)可逆電路。其由12個可控硅大功率晶閘管組成，晶閘管分兩組，S11 ～S16為一組， S21 ～S26為一組。每組按三相橋式聯(lián)接，兩組反并聯(lián)，分別實現(xiàn)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。反并聯(lián)是指兩組變流橋反極性并聯(lián)，由一個交流電源供電。每組晶閘管都有兩種工作狀態(tài)：整流和逆變。一組處于整流工作時，另一組處于待逆變狀態(tài)。在電機降速時，逆變組工作。

　　三相全控橋式電路的電壓波形如圖所示。圖上所標出的晶閘管觸發(fā)角 α為π/3。晶閘管以π/3的間隔按次序開通，每6個脈沖電機轉(zhuǎn)1轉(zhuǎn)。由于晶閘管 以較快的速率被觸發(fā)，所以流經(jīng)電機的電流幾乎是連續(xù)的。

　　其工作過程如下：當ωt=π/6+α時，S11開通而在此之前S16已被開通了。因此，當A相電壓波形在π/6+α＜ωt＜π/6+α+π/3區(qū)間時，晶閘管S11和S16導(dǎo)通，電機端子與A 相和B相接通，故Ud=UAB。當ωt=α+π/3+π/6時，晶閘管S12開通，電流流經(jīng)S12，而S16由于受反向偏置而關(guān)斷（自然或電網(wǎng)換向）。這時S11和S12導(dǎo)通，電機兩端電壓Ud=UAC。就這樣，每隔π/3又有一只晶閘管被開通，之后就重復(fù)上述過程。

　　由波形圖可見，只要改變觸發(fā)角α的值，則就可以改變電機電壓的輸入值，進而調(diào)節(jié)直流電機電樞的電流值，達到調(diào)節(jié)直流電機速度的目的。

　　在圖中，RW1為轉(zhuǎn)速定位器U+n，為轉(zhuǎn)速偏差電壓，Un為轉(zhuǎn)速反饋電壓，ΔUn為反饋偏差電壓，A為比例放大器，Uct為觸發(fā)控制電壓，GT為晶閘管的觸發(fā)控制裝置。

　　系統(tǒng)的工作情況及自動調(diào)速過程如下：

　　當系統(tǒng)在某一較小的轉(zhuǎn)速給定電壓U+n作用下啟動時，開始一瞬間電機并未轉(zhuǎn)動，故轉(zhuǎn)速反饋電壓Un=0，反饋偏差電壓ΔUn=U+n，通過放大器后，輸出較大的Uct，觸發(fā)器輸出的觸發(fā)角α將由起始狀態(tài)時的90o下降，整流器輸出電壓也由Ud=0上升到某一較大的值，電動機在這一電壓作用下（電流不超過允許值時）啟動運轉(zhuǎn)。隨著轉(zhuǎn)速的上升，反饋電壓Un上升，則轉(zhuǎn)速偏差電壓ΔUn下降，Uct隨之下降，α上升，整流器輸出電壓Ud也下降，電動機轉(zhuǎn)差率也下降，直到轉(zhuǎn)速n接近給定轉(zhuǎn)速，即反饋電壓Un接近，電機即平穩(wěn)運轉(zhuǎn)。如前所述，電機轉(zhuǎn)速只能接近給定轉(zhuǎn)速，偏差大小與放大倍數(shù)緊密相關(guān)。但這種系統(tǒng)從原理上說就是有偏差的，故稱為有差調(diào)速系統(tǒng)。

　　晶閘管供電轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)

　　前面所述的轉(zhuǎn)速負反饋單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)實際上是不能用于數(shù)控機床進給系統(tǒng)，對于數(shù)控機床上要求高的調(diào)速系統(tǒng)，則要求快速啟動、制動，動態(tài)速降要小等，通常采用轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)系統(tǒng)。

　　轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)如圖所示。為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種反饋分別起作用，系統(tǒng)中設(shè)置了兩個調(diào)節(jié)器，分別對轉(zhuǎn)速和電流進行調(diào)節(jié)，兩者之間實行串級聯(lián)接。

　　2、晶體管直流脈寬（PWM）調(diào)速系統(tǒng)

　?。?）原理：利用大功率晶體管的開關(guān)作用，將直流電壓轉(zhuǎn)換成一定頻率的方波電壓，加到直流電動機的電樞上；通過調(diào)整控制方波脈沖寬度來改變電樞的平均電壓，從而調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速。

　　直流電機電壓的平均值

　　其中，T為脈沖周期，Ton為導(dǎo)通時間

　　特點：控制電路簡單，不需附加關(guān)斷電路，開關(guān)特性好。廣泛應(yīng)用中、小功率直流伺服系統(tǒng)。

　?。?）PWM系統(tǒng)的組成

　　USr——速度指令轉(zhuǎn)化過來的直流電壓；

　　U△——三角波；

　　USC——脈寬調(diào)制器的輸出（USr+U△）；

　　Ub——調(diào)制器輸出的經(jīng)脈沖分配、由基極驅(qū)動轉(zhuǎn)換過來的脈沖電壓。

　　控制回路：速度調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器、固定頻率振蕩器及三角波發(fā)生器、脈寬調(diào)制器和基極驅(qū)動電路組成。

　　區(qū)別：與晶閘管調(diào)速系統(tǒng)比較，速度調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器原理一樣。不同的是脈寬調(diào)制器和功率放大器。

　　PWM系統(tǒng)的脈寬調(diào)制器

　　作用：將電壓量轉(zhuǎn)換成可由控制信號調(diào)節(jié)的矩形脈沖，為功率晶體管的基極提供一個寬度可由速度指令信號調(diào)節(jié)的脈寬電壓。

　　組成：調(diào)制信號發(fā)生器（三角波和鋸齒波兩種）和比較放大器。

　　晶體管調(diào)速系統(tǒng)主電路

　　開關(guān)功率放大器是脈寬調(diào)制速度單元的主回路，其結(jié)構(gòu)形式有兩種，一種是H型（也稱橋式） ，另一種是T型。每種電路又有單極性工作方式和雙極性工作方式之分，而各種不同的工作方式又可組成可逆開關(guān)放大電路和不可逆開關(guān)放大電路。

　　圖示為廣泛使用的H型開關(guān)電路的工作原理圖，它是由四個二極管和四個功率管組成的橋式回路。直流供電電源+Ed由三組全波整流電源供電。脈寬調(diào)制器輸出的脈沖波u1、u2、u3、u4經(jīng)光電隔離器，轉(zhuǎn)換成與各脈沖相位和極性相同的脈沖信號U1、U2、U3、U4，并將其加到開關(guān)功率管VT1～VT4的基極。當電機正常工作時，在0《t《t1的時間區(qū)間內(nèi)，U2、U3為高電平，功率晶體管 VT2、VT3導(dǎo)通，此時電源、+Ed加到電樞的兩端，向電機供電，電流方向是從電源+Ed經(jīng)VT3→電機→VT2→回到電源。在t1≤t《t2時間段U1、U3均是低電平，VT1和VT3截至，+Ed被切斷。而此時U2仍為高電平，此時，由于電樞電感的作用，電流經(jīng)VT2和續(xù)流二極管VD4繼續(xù)流通。在t2≤t《t3時，U2、U3又同時為正，+Ed又經(jīng)VT2和VT3加至電機兩端，電流繼續(xù)流通。在t3≤t《T時，U2、U4同時為負，電源又被切斷，而U3為正，所以電樞電流經(jīng)VT3和VD1續(xù)流，如此往復(fù)循環(huán)。主回路得到的電壓UAB是在+Ed和O之間變化的脈沖電壓。

　　雙極性和單極性的電路原理圖是一樣的，所不同的是右邊兩個管子的驅(qū)動信號不同。

　　晶體管直流脈寬（Pulse Width ModulaTIon，PWM）調(diào)速系統(tǒng)

　　（1）直流PWM伺服驅(qū)動裝置的工作原理

　　PWM驅(qū)動裝置是利用大功率晶體管的開關(guān)特性來調(diào)制固定電壓的直流電源，按一個固定的頻率來接通和斷開，并根據(jù)需要改變一個周期內(nèi)接通與斷開時間的長短，通過改變直流伺服電動機電樞上電壓的“占空比”來改變平均電壓的大小，從而控制電動機的轉(zhuǎn)速。

　　PWM控制的示意圖如圖所示，可控開關(guān)S以一定的時間間隔重復(fù)地接通和斷開，當S接通時，供電電源U通過開關(guān)S施加到電動機兩端，電源向電機提供能量，電動機儲能；當開關(guān)S斷開時，則中斷電動機的能量供給。在開關(guān)S斷開期間電樞電感所儲存的能量則通過續(xù)流二極管VD使電動機電流繼續(xù)流通。

　　假如加在電機兩端為圖所示的電壓波形，則電機所獲得的平均電壓即為：

　　有式知：改變ton和toff即可改變轉(zhuǎn)速，但這必須有相應(yīng)的裝置才能實現(xiàn)。圖示的即為一種PWM驅(qū)動裝置系統(tǒng)原理框圖。

　　由圖知：PWM驅(qū)動裝置的控制結(jié)構(gòu)可分為兩大部分：從主電源將能量傳遞給電動機的功率轉(zhuǎn)換電路以及控制電路。功率轉(zhuǎn)換電路可為H型、T型功率放大電路；控制電路通常由恒頻率波形發(fā)生器、脈沖寬度調(diào)制電路、基極驅(qū)動電路、保護電路等基本電路組成。

　　當三角形波電壓UΔ 與直流電壓Uk送入放大器后，如三角波高于控制電壓時，輸出為“空”；反之，輸出為“占”，改變控制電壓Uk就可以改變占空比。其輸出波形如圖。

　　脈沖分配電路它根據(jù)功率轉(zhuǎn)換電路工作制式，對V/W變換的信號進行適當?shù)倪壿嬜儞Q，分配給基極驅(qū)動電路以滿足功率轉(zhuǎn)換電路工作時通、斷時序脈沖的電壓要求。

　　3、全數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)

　　在全數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)中，僅功率轉(zhuǎn)換組件和執(zhí)行組件的輸入信號和輸出信號為模擬信號，其余的信號都為數(shù)字信號，由計算機通過算法實現(xiàn)。

　　計算機的計算速度很高，在幾毫秒內(nèi)可以計算出電流環(huán)和速度環(huán)的輸入、輸出數(shù)值，產(chǎn)生控制方波的數(shù)據(jù)，從而控制電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。全數(shù)字調(diào)速的特點是離散化，即在每個采樣周期給出一次控制數(shù)據(jù)。

　　在一個采樣周期內(nèi)，計算機要完成一次電流環(huán)和速度環(huán)的控制數(shù)據(jù)的計算和輸出，對電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩控制一次。